5 ماده شگفت‌ انگیز که تا به حال کشف شده است

MacTavish · 31/8/19

انسان دائما در تلاش برای کشف مواد جدیدتر بوده است، اما در این میان بعضی از مواد کشف‌شده به قدری شگفت‌‌انگیز و تاثیرگذارند که شاید شناخت بیشتر آن‌ها بسیار جالب و هیجان‌انگیز باشد. تا به امروز مواد شگفت‌‌‌انگیز بی‌شماری، مانند مواد فوق‌سبک استفاده شده توسط ناسا تا فلزاتی که با دمای دست‌تان ذوب می‌شوند، کشف شده است. با گجت نیوز همراه باشید تا با 5 ماده شگفت‌ انگیز آشنا شویم.

عایق های توپولوژیکی (Topological insulators)

عایق توپولوژیک ماده شگفت‌انگیزی است که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد نه از داخل آن، بلکه تنها روی سطح آن حرکت کنند. اگرچه این تعریف خیلی واضح به نظر می‌رسد، اما در حقیقت آن‌قدر هم سر‌راست نیست. فلزات معمولی الکترون‌ها را در همه جهات منتقل می‌کنند، در حالی‌که عایق‌های معمولی به هیچ وجه الکترون‌ها را منتقل نمی‌کنند. یک تکه چوب که با مس روکش شده، الکترون‌ها را تنها در سطح خود منتقل می‌کند، اما این وسیله از دو ماده مختلف و نه یک ماده واحد ساخته شده است. مفهوم یک عایق توپولوژیک به قدری عجیب و ناشناخته است که برای مدت‌های طولانی، فیزیک‌دانان باور نداشتند که چنین ماده‌ای بتواند وجود داشته باشد.

به‌گفته فرانک ویلچک، فیزیک‌دان ام.آی.تی و از برندگان جایزه نوبل، رفتار دسته‌جمعی الکترون‌ها تنها با استفاده از یک سری از معادلات ساده قابل توصیف است. او می‌گوید: تنها تعداد اندکی از این معادلات واقعا ساده وجود دارند که شما می‌توانید آنها را بنویسید. بنابراین نظریه عایق توپولوژیک و نظریه‌های فیزیک‌ذانان ذرات، نهایتا به یک چیز منتهی می‌شوند. به همین دلیل، بسیاری از فیزیک‌دانان معتقدند که یک جایزه نوبل نیز در انتظار شخصی است که بتواند بیشترین سهم را در گسترش و رشد این مبحث داشته باشد.

اگرچه کین می‌گوید که در حال حاضر به چنین چیزی فکر نمی‌کند، اما رقابت موجود وی را وادار می‌کند که قبول کند دیگران از کارهای وی اطلاع دارند. نتایج مطالعات آینده است که مشخص می‌کند آیا عایق‌های توپولوژیک ارزش این همه توجه را داشته‌اند یا خیر؟ باید منتظر نشست تا معلوم شود که کشف این مواد نهایتا چه تاثیری بر زندگی بشر خواهند داشت.

چند فروئیک ها (Multiferroics)

شاید چند فروئیک ها اصطلاحی ناآشنا باشند، ولی احتمالا این موضوع برای زمان طولانی چنین باقی نماند. این اصطلاح، توصیف‌‌کننده‌ی موادی است که به‌طور همزمان دو یا بیشتر از دو ویژگی فروئیک را نشان می‌دهند؛ فرومغناطیس، فروالکتریسیته، یا فروالاستیسیته. برای نمونه، بیسموت فریت، یک ضدفرومغناطیس و فروالکتریک می‌باشد.

خاصیت فرومغناطیسی آشناترین نوع از مغناطیس‌شدگی می‌باشد، که توسط میدان‌هایی که جهت آنها توسط قطب‌های شمال و جنوب مشخص می‌شود، توصیف می‌شود. خاصیت فروالکتریسیته به موادی برمی‌گردد که می‌توانند به لحاظ الکتریکی قطبیده شوند و دارای یک جهت دلخواه از بار الکتریکی مثبت-منفی باشند. در مواد فروالاستیک، برای نمونه در ترکیبات “حافظه قالب” ، ایجاد فشار می‌تواند موجب یک تغییر خود به خود در جهت یا ساختار بلوری شود که می‌تواند دوباره به حالت اول بازگردد. یک ماده‌ی چند فروئیک دارای مناطقی است که توسط دیواره‌های حوزه جدا شده‌اند، که یکی یا بیشتر از یکی، از این ویژگی‌های متفاوت به‌طور متفاوتی جهت‌دار شده‌اند.

هواژل (Aerogel)

هواژل که آیروژل هم نامیده می‌شود، کمترین چگالی را در میان مواد جامد دارد. این ماده از یک ژل به دست می‌آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین می‌شود. نتیجه این فرایند، ماده‌ای جامد با چگالی بسیار کم و در عین حال، ویژگی قابل‌توجه در زمینه عایق گرمایی است. هواژل در فرهنگ عامه مردم تحت نام‌های دیگری هم‌چون دود منجمد، دود جامد، هوای جامد و یا دود آبی نیز شناخته می‌شود که این نام‌گذاری‌ها به دلیل ظاهر شفاف و نیز نحوه پخش نور در این ماده‌است.

هواژل، سبک‌ترین ماده جامد شناخته‌شده در جهان است که چگالی سبک‌ترین نمونه ساخته شده از آن، تنها سه برابر هواست. ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده آن را یکی از پرکاربردترین مواد به کار رفته در ماموریت‌های فضایی ساخته‌است. به عنوان مثال، مسئولان ناسا از هواژل به منظور جلوگیری از یخ‌زدگی ربات مریخ‌نورد در شب‌های سیاره بهرام استفاده کردند. هم‌چنین این ماده برای گردآوری ذرات کیهانی در فضا بسیار مناسب است و در جریان ماموریت «استارداست» از آن برای جمع‌آوری مواد موجود در هاله پیرامون دنباله‌دار وایلد-۲ استفاده شد.

فروفلوئید (Ferrofluid)

فروفلوئید درواقع یک نوع سیال است که داخلش ذرات مغناطیسی دارد و اگر این سیال در معرض یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد تمام ذرات مغناطیسی با خطوط میدان همتراز می‌شوند و با این کار تراکم سیال را به‌شدت افزایش می‌دهند. این ترکیب از ذرات مغناطیسی شکننده (معمولا آهن) تشکیل شده است. هر ذره‌ی منحصر به فرد در فروفلوئید با یک عامل فعال پوشیده شده است که این ماده‌ی عامل مانع جذب ناگهانی ذرات مغناطیسی به همدیگر می‌شود.

البته این ذرات مانند آهنرباهای معمولی نیستند. این ذرات جز موادی دسته‌بندی می‌شوند که دانشمندان پارامغناطیس می‌نامند. خاصیت ذرات پارامغناطیس این است که وقتی در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، تبدیل به آهنرباهای کوچک می‌شوند که به دور خود چرخیده و به ‌آهنرباهای مجاور می‌چسبند. فروفلوئید در سال ۱۹۶۳ توسط دانشمند ناسا، استیو پاپل (Steve Pappell)، به عنوان نمونه‌ی اولیه برای سوخت موشکی ساخته شد که قرار بود فضاپیما را پس از قرار گرفتن در میدان مغناطیسی به سمت جلو پیش ببرد.

ویژگی جالب فروفلوئید‌ها این است که در آن واحد، هم رفتارهای مایعات و هم رفتارهای جامدات را دارند. بیسموت فریت مانند بسیاری از چندفروئیک اکسیدهای دیگر، ساختار بلورین پرووسکیت دارد که در آن صفحاتی از اتم‌های اکسیژن و اتم‌های سنگین (مانند بیسموت) جایگزین صفحاتی از اتم‌های اکسیژن و اتم‌های سبک‌تر (مانند آهن) می‌شوند.

گالیوم (Gallium)

این عنصر با نماد Ga نشان داده شده و عدد اتمی آن 31 است. حالت جامد سبک‌تر از شکل مایع آن است. این عنصر فلزی نقره‌ای‌رنگ بوده و همانند شیشه ترد و شکننده است، همچنین از نقطه ذوبی پایین در حدود 29.76 درجه سانتیگراد برخوردار است، در نتیجه اگر آن را در دستان‌تان نگه دارید به اندازه‌ای که به میزان کافی گرم شود، در دست شما به مایع تبدیل خواهد شد.

این به تنهایی خود مسئله‌ای جالب توجه است، اما این فلز کمیاب خواص سرگرم‌کننده و شگفت‌انگیز دیگری هم دارد. گالیم در سال 1875 میلادی کشف شد. اما به این شکلی که می‌بینید در طبیعت یافت نمی‌شود و تنها مقادیر ناچیزی از آن در ترکیبات سنگ معدن بوکسیت وجود دارد، که به عنوان یک عامل برای ساخت آلیاژهایی با نقطه ذوب پایین استفاده می‌شود.